„Organy na chipach: innowacyjne materiały biomedyczne umożliwiają odejście od testów na zwierzętach

Innowacyjne materiały biomedyczne, z powodzeniem opracowane przez litewskich naukowców, są jedną z głównych alternatyw dla konstruowania modeli naśladujących ludzkie tkanki i ograniczania testów na zwierzętach.

Innowacyjne materiały biomedyczne są już wykorzystywane w toksykologii, testach in vitro, badaniach wpływu zanieczyszczeń na ludzi, testowaniu pestycydów, różnych agrochemikaliów i farmaceutyków.

Trójwymiarowe modele tkanek – konstrukcje tworzone przy użyciu materiałów biomedycznych w celu dokładniejszej symulacji struktury i funkcji ludzkich tkanek. Konstrukty naśladujące naturalne mikrośrodowisko komórek ludzkich lub zwierzęcych są tworzone przy użyciu technologii elektroprzędzenia lub biodruku.

Ten typ konstrukcji promuje wzrost i proliferację komórek, otwierając drzwi do bardziej szczegółowych badań toksykologicznych in vitro. Eliminuje to wykorzystanie zwierząt w badaniach toksyczności in vivo u ludzi.

Może badać wątrobę, naśladować ludzką skórę

„Organs-on-Chips” to kolejna innowacyjna technologia, która umożliwia tworzenie miniaturowych modeli ludzkich narządów w systemach mikroprzepływowych.

Na przykład modele „wątroby” lub „nerki na chipie” mogą być wykorzystywane do szczegółowego badania wpływu substancji chemicznych na funkcjonowanie narządów.

Technologie te nie tylko zapewniają wysoki poziom precyzji, ale także zmniejszają zapotrzebowanie na zwierzęta, umożliwiając przeprowadzenie niezbędnych badań bezpośrednio na komórkach narządów ludzkich.

Materiały bioaktywne, takie jak kolagen i hydrożele, są wykorzystywane do tworzenia konstrukcji ludzkich tkanek, które wspierają określone funkcje komórkowe.

Na przykład, hydrożele z żywymi komórkami ludzkimi mogą być dostosowane do naśladowania skóry lub tkanki płucnej wykorzystywanej do testów toksykologicznych kosmetyków lub zanieczyszczeń powietrza.

Pozwala to na dokładniejsze przewidywanie reakcji ludzi na różne związki chemiczne bez konieczności przeprowadzania testów na zwierzętach.

Odtwarza nabłonek płuc

Wykorzystując materiały biomedyczne i żywe komórki ludzkie, opracowywane są modele tkanek ludzkich w celu naśladowania określonych struktur tkankowych. Na przykład modele ludzkiego nabłonka płuc mogą być wykorzystywane do badania wpływu zanieczyszczeń powietrza na zdrowie ludzi.

Modele te są wykonane z włóknistych konstrukcji, które naśladują naturalne mikrośrodowisko tkanki płucnej, zapewniając komórkom przestrzeń i warunki potrzebne do wzrostu i funkcjonowania jak w prawdziwej tkance nabłonkowej płuc.

Włókniste konstrukty wykorzystywane do opracowywania modeli mogą być wykonane z różnych biokompatybilnych materiałów zdolnych do realistycznego odtworzenia naturalnych właściwości tkanki, takich jak elastyna, kolagen i syntetyczne polimery.

Struktura konstruktów pozwala komórkom na przyłączenie się i wzrost, tworząc w ten sposób trójwymiarową strukturę tkanki niezbędną do ukierunkowanych i wiarygodnych badań.

Modele nabłonka płuc mogą być wykorzystywane do badania wpływu różnych zanieczyszczeń, takich jak chemikalia lub nanocząsteczki, na zdrowie ludzi.

Modele te umożliwiają przeprowadzenie szczegółowych badań toksykologicznych i mutagennych w celu zrozumienia, w jaki sposób różne substancje mogą wpływać na funkcjonowanie płuc i powodować choroby.

Takie modele pozwalają na dokładniejsze przewidywanie wpływu zanieczyszczeń na zdrowie ludzi, co jest szczególnie ważne dla oceny bezpieczeństwa nowych związków chemicznych i substancji przemysłowych.

Ograniczenie wykorzystywania zwierząt w badaniach

Jedną z głównych zalet stosowania włóknistych modeli tkanek ludzkich jest wynikający z tego potencjał zmniejszenia zapotrzebowania na zwierzęta w badaniach.

Badania na zwierzętach stoją nie tylko w obliczu wyzwań etycznych i związanych z ochroną zwierząt, ale także wyzwań naukowych, takich jak odmienna biologia gatunków.

Podczas próby zastosowania wyników tych badań na ludziach, różnice gatunkowe prowadzą do niedokładnych wyników w indywidualnych przypadkach, czyniąc innowacyjne materiały biomedyczne kluczowym narzędziem badawczym.

Oczekuje się, że w przyszłości rozwój technologii produkcji materiałów biomedycznych pozwoli na jeszcze bardziej precyzyjne i powszechne wykorzystanie modeli tkankowych w obszarach badawczych, od farmakologii po środowisko.

Nowe materiały i technologie wytwarzania, takie jak trójwymiarowy biodruk, umożliwiają tworzenie coraz bardziej złożonych i funkcjonalnych modeli tkanek, integrujących naczynia krwionośne i inne składniki tkanek.

Otwiera to nowe możliwości zarówno w nauce, jak i przemyśle, zapewniając wysoką jakość i etyczność badań.

„Skin-on-thick

„Modele Skin-on-chip pozwalają na bardziej efektywne badanie wpływu produktów kosmetycznych i farmaceutycznych na ludzką skórę. Modele te mogą być wykorzystywane do prawidłowej oceny bezpieczeństwa i skuteczności produktów bez użycia zwierząt.

Pozwala to uniknąć problemów związanych z wykorzystaniem zwierząt i zapewnia dokładniejsze wyniki testów dzięki lepszemu odzwierciedleniu ludzkich reakcji skórnych.

Modele są tworzone przy użyciu zaawansowanych materiałów biomedycznych i są hodowane z komórkami skóry, które naśladują naturalną strukturę skóry.

Konstrukcje komórkowe, wykonane z kolagenu, elastyny i syntetycznych polimerów, tworzą odpowiednie mikrośrodowisko dla wzrostu i proliferacji komórek, zapewniając odtworzenie bardziej realistycznej struktury i funkcji ludzkiej skóry.

Modele te są szczególnie przydatne do badania bezpieczeństwa i skuteczności produktów kosmetycznych, takich jak kremy i balsamy, a także farmaceutyków stosowanych w leczeniu chorób skóry.

Pozwalają one określić wpływ produktów na funkcję bariery skórnej, zatrzymywanie wilgoci, reakcje zapalne i inne ważne parametry.

Oczekuje się, że w przyszłości opracowane zostaną bardziej zaawansowane i funkcjonalne modele skóry na chipie, integrujące takie elementy jak naczynia krwionośne i receptory sensoryczne.

Umożliwi to bardziej szczegółowe i dokładne badania, przyczyniając się do rozwoju wyższej jakości produktów kosmetycznych i farmaceutycznych.

Wdrażanie zasady 3R

Wykorzystanie innowacyjnych materiałów biomedycznych przyczynia się do realizacji zasady 3R (replace, reduce, refine) mającej na celu ograniczenie wykorzystywania zwierząt w badaniach i ochronę ich dobrostanu: Zastąpienie zwierząt wykorzystywanych w badaniach modelami naśladującymi ludzkie tkanki;

Zmniejszenie potrzeby wykorzystywania zwierząt poprzez ograniczenie badań tylko do niezbędnych;

Poprawa metodologii badań w celu uzyskania dokładniejszych i bardziej wiarygodnych danych.

Konstrukcje włókniste i technologie organ-on-a-chip pozwalają na rozwój struktur fizjologicznie podobnych do tkanek ludzkiego ciała do badań toksykologicznych i farmakologicznych, unikając w ten sposób testów na zwierzętach.

Innowacyjne materiały biomedyczne otwierają nowe możliwości dla wolnych od zwierząt badań toksykologicznych i środowiskowych dotyczących narażenia ludzi na zanieczyszczenia.

Trójwymiarowe modele tkanek i technologie organ-on-a-chip pozwalają na wysokiej jakości symulację ludzkich tkanek i badanie wpływu chemikaliów na ludzkie zdrowie.

Te nowe technologie przyczyniają się do etycznej praktyki naukowej i zwiększają dokładność i wiarygodność badań.

Naukowcy KTU, we współpracy z Litewskim Uniwersytetem Nauk o Zdrowiu (LSMU), Centrum Innowacyjnej Medycyny i Luksemburskim Instytutem Nauki i Technologii, aktywnie rozwijają i badają nowe materiały biomedyczne dla zaawansowanej toksykologii, medycyny regeneracyjnej i badań nad rakiem, przyczyniając się w ten sposób do rozwiązania globalnych problemów w zakresie zdrowia ludzkiego i środowiska.

Dr Edvinas Krugly, starszy pracownik naukowy, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika w Kownie